Ultrasons Fatigue Testing dans le Mode de traction-Compression

Un protocole pour la fatigue ultrasons essais dans la région de haute et ultra haute du cycle en mode chargement axial de traction-compression.

L’objectif global de cette expérience est d’évaluer la durée de vie en fatigue du matériau dans la région à cycle ultra-élevé. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés sur la sécurité et la fiabilité des composants métalliques qui doivent résister à nos dix millions de cycles de charge pendant le fonctionnement. Cette technique est basée sur l’enfoncement de l’éprouvette dans la vibration longitudinale à chaque fréquence de résonance de 20 kilohertz, ce qui signifie qu’environ 20 000 cycles de charge sont effectués en une seconde.

Pour pouvoir faire vibrer l’échantillon à cette fréquence de résonance particulière, sa taille et sa forme doivent être soigneusement conçues pour la condition de résonance. Les essais seront effectués à l’aide d’un appareil d’essai de fatigue par ultrasons. Les échantillons du matériau expérimental doivent être usinés pour avoir la géométrie standard du sablier pour les essais de compression de traction.

Ce dessin de l’éprouvette indique les dimensions correspondantes. Choisissez le diamètre de la tête, le diamètre de référence et le rayon de référence en fonction des paramètres du matériau et des conditions d’essai, ceux-ci déterminent la longueur de repère. La longueur de la tête définit la masse totale de l’échantillon et doit être calculée pour remplir la condition de résonance à 20 kilohertz.

Commencez par préparer l’appareil de test. Sélectionnez une sonotrode appropriée pour la plage de cylindrée requise. Vissez la vis de connexion dans la sonotrode jusqu’à ce qu’elle atteigne le bas, puis étalez une petite quantité de gel acoustique sur la face de la sonotrode.

Ensuite, vissez la sonotrode dans le convertisseur piézoélectrique. Passez à l’ordinateur du système à ultrasons. Utilisez le logiciel de contrôle pour trouver la fréquence de résonance réelle du système.

Travaillez maintenant au montage de l’échantillon. Vissez la vis de connexion dans l’échantillon jusqu’à ce qu’elle atteigne le fond, puis vissez l’échantillon à la sonotrode. Cet échantillon est correctement monté pour la prochaine mesure de fréquence de résonance.

Utilisez maintenant le logiciel de contrôle pour trouver la fréquence de résonance du système avec l’échantillon. Préparez-vous à modifier l’échantillon si la fréquence de résonance est inférieure à celle du système. Pour les modifications, munissez-vous d’un tour.

Ensuite, retirez l’échantillon de la sonotrode, puis montez l’échantillon dans un tour pour réduire sa masse. Utilisez le tour pour abaisser d’un dixième de millimètre sur chaque tête, en supprimant une masse égale de chaque côté de l’échantillon afin d’augmenter la fréquence de résonance et de maintenir sa géométrie. Une fois terminé, retournez l’échantillon dans la sonotrode.

Ensuite, mesurez à nouveau la fréquence de résonance du système avec l’échantillon. Continuez à retirer l’échantillon de la sonotrode et réduisez sa masse jusqu’à ce que les deux fréquences de résonance soient à moins de dix hertz. Commencez par l’appareil d’essai avec l’échantillon retiré.

Assurez-vous que la vis de connexion atteint le bas de l’échantillon, puis étalez une petite quantité de gel acoustique sur la face de l’échantillon. Ramenez l’échantillon à la sonotrode et vissez-le en place. Pour ce système refroidi à l’eau, concentrez les buses d’eau sur la tête supérieure de l’échantillon afin que l’eau s’écoule en douceur le long de la longueur de référence.

Enfin, ajustez le système de refroidissement du convertisseur piézoélectrique. Au niveau de l’ordinateur de contrôle, commencez le test. L’essai se termine automatiquement lorsqu’une fissure de fatigue est initiée dans l’éprouvette.

Arrêtez les systèmes de refroidissement et démontez l’échantillon. Comme dans ce cas, il est souvent possible de voir la fissure à la surface de l’échantillon. L’initiation de la fissure de fatigue dans l’échantillon provoque une modification de la rigidité du système à ultrasons, ce qui décale le système hors de la fréquence de résonance, de sorte que l’essai se termine naturellement lorsque la fissure se déclenche.

Si la fissure de fatigue ne s’amorce pas avant le nombre maximal de cycles de l’essai, l’essai est noté comme terminé et il présente l’amplitude de charge de sécurité. Ces données concernent trois aciers différents, Hardox 450, Strenx 700MC et S355J2. La contrainte de charge se fait le long de l’axe vertical.

Le nombre de cycles de charge de l’essai se fait le long de l’axe horizontal. Tous les tests se sont terminés par une fracture avant dix ou dixième cycles, sauf un, le point de données marqué d’une flèche. Ce test a été interrompu en raison d’une fin de course.

Cette image de microscopie électronique à balayage fournit des informations sur l’initiation et la propagation des fissures de fatigue. La fissure de fatigue a pris naissance sur la surface libre. La propagation des fissures a pris fin lorsque le système à ultrasons s’est détaché de la résonance et que l’essai a pris fin.

La zone plus claire correspond à la rupture par charge statique. L’échantillon est constitué de 50 chrome maliptinum quatre trempés dans de l’acier trempé. Il s’agit d’une image au microscope électronique à balayage d’une cavité à la surface d’un échantillon d’acier 50 chrome maliptinum quatre après un processus de refroidissement inapproprié.

Les cavités accélèrent le processus d’initiation des fissures de fatigue en servant d’encoches de concentration des contraintes. Le résultat de cet essai de fatigue n’est pas acceptable. Cette image de microscopie électronique à balayage montre la zone de propagation de la fissure de fatigue d’un échantillon en alliage d’aluminium AW7075.

La flèche indique la direction de propagation de la fissure de fatigue. La fissure s’est propagée par un mécanisme de fatigue transcristalline. Le principal avantage de cette technique est qu’elle est capable de simuler des années de fonctionnement en quelques heures ou jours seulement.

Une fois maîtrisé, l’échantillon peut être harmonisé et analysé en vingt minutes s’il est correctement conçu dans la machine. Lors de cette procédure, il est important de ne pas oublier de refroidir intensivement la jauge de l’échantillon vers la droite. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la fatigue pour explorer la région à très haut cycle.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’harmoniser, de faire fonctionner et de refroidir les échantillons d’essai de fatigue par ultrasons. N’oubliez pas que travailler avec des ultrasons peut être extrêmement dangereux pour les oreilles et que des précautions, telles que des bouchons d’oreille, doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure. Notre groupe tient à souligner la contribution du professeur Otakar Bokuvka à nos efforts de recherche.